|
1 前言
难熔金属(钨、钼、钽、铌)具有高的熔点和高温强度,广泛应用于航空、航天、电子、冶金和轻工等行业的一些耐高温部件,但在高温氧化气氛中难熔金属很容易氧化。钼在400℃以上、铌在600℃以上就开始形成氧化物,且氧化物的挥发随温度的提高而急速加快,造成难熔金属不抗氧化。虽然研究了多种难熔金属抗氧化合金,但不能根本解决氧化问题,采用高温抗氧化涂层可在一定温度和时间范围内解决难熔金属的氧化问题。
2 制备方法
2.1 涂层材料针对难熔金属钼和铌合金(Ｃ103)的使用环境条件(12001400℃),涂层材料选用硅化物(Ｓｉ-Ｃｒ-Ｔｉ、Ｓｉ-Ｃｒ-Ｆｅ)。
2.2 涂层的制备方法
熔合料浆法是把金属(合金)的料浆均匀涂复于基材表面,在惰性气体或真空中使料浆熔化,通过液体-固体扩散形成涂层。料浆烧结法是把金属微粒(加粘结剂)喷涂或浸涂到基材表面上,在惰性气体或真空环境中固相或液相烧结。
2.3 涂层的制备过程硅化物(Ｓｉ-Ｃｒ-Ｔｉ、Ｓｉ-Ｃｒ-Ｆｅ)合金粉,粒度-300目,按配方配制合金粉料,球磨混匀,加入适量的清漆和乙酸乙酯作为载体,球磨混匀制成料浆,用喷漆枪将料浆喷涂在试样和工件上,用涡流测厚仪测定控制涂层喷涂厚度,烘干后放入真空炉中进行13501500℃高温烧结,形成银灰色的涂层,厚度为90140μｍ。
3 涂层试验方法和性能
3.1 涂层试验方法涂层性能
试验试片为70ｍｍ×10ｍｍ×1ｍｍ,涂层性能试验采用低电压大电流直接通电加热方式,红外测温仪测温,程序控制仪控制温度,计算机记录数据。
抗氧化性能试验:试片在静态空气中30ｓ升温到试验温度,进行保温,观察记录涂层出现缺陷的时间。
抗热震性能试验:试片在静态空气中15ｓ升温到试验温度,保温1ｓ,降温110ｓ,温度在两个试验温度之间交变循环,观察记录涂层出现缺陷时循环的次数。
3.2 涂层性能
钼和铌合金(Ｃ103)涂层性能见表1。
4 涂层的微观分析
4.1 涂层表面扫描电镜微观形貌
钼和铌合金高温抗氧化涂层表面扫描电镜微观形貌见图1和图2。
从图中可以看到,涂层表面熔融较好,孔隙较少,有利于涂层性能的提高。
4.2 涂层断面金相和扫描电镜微观形貌
钼和铌合金高温抗氧化涂层断面光学金相和扫描电镜微观形貌见图3和图4。
图1 钼的硅化物涂层表面形貌(×1000)
图2 铌合金的硅化物涂层表面形貌(×1000)
图3 钼的硅化物涂层断面形貌(×200)
图4 铌合金的硅化物涂层表面形貌(×350)
从图中可以看到,涂层断面可分为三层,第一层为扩散层,与基材相互扩散形成,比较窄(1020μｍ),晶粒很小,很致密;第二层为中间层,为涂层的主体,厚度为5080μｍ,晶粒较大;第三层为涂层的表层,厚度为30μｍ左右,晶粒较小,很致密。对涂层断面进行微区电子探针成分分析,测定各元素含量,确定涂层主要形成了Ｍｏ5Ｓｉ3和Ｎｂ5Ｓｉ3。
涂层很致密,有利于抗氧化性能的提高,涂层与基材有相互扩散层,对热震性能的提高十分有利。
5 应用
5.1 玻璃窑炉供料道中的抗氧化钼电极
钼具有极好的耐玻璃侵蚀能力,可作为电极应用在玻璃窑炉供料道中,但由于在烤窑期和料面下降时,钼电极会暴露在1200℃的空气中,造成钼电极的氧化,大大降低了使用寿命。采用料浆法在钼电极上制备高温抗氧化涂层,使钼电极的抗氧化能力大大提高。具有高温抗氧化涂层的钼电极经受了七天烤窑期(1200℃,≥48ｈ)的考验和使用过程中料面多次下降,大大提高了钼电极的使用寿命(最长使用了五年),在十几个厂家得到应用。
钼电极的实物见图5,最长为1100ｍｍ。
图5 钼电极实物
5.2 双组元液体火箭发动机的铌合金推力室
双组元液体火箭发动机燃烧室内燃气温度达2800℃。一般材料无法承受这样高的燃气温度和环境条件,推力室材料选用Ｃ103铌合金喷涂高温抗氧化涂层,为了使推力室身部壁温降到涂层能承受的水平,设计上采用燃料液膜/辐射的组合冷却方式,因此涂层的工作温度决定了火箭发动机的性能。
采用料浆法在铌合金推力室上制备硅化物高温抗氧化涂层,具有抗氧化寿命长,抗热震性能好,耐燃气冲刷等优点。在工作温度1400℃的条件下,经受了双组元液体火箭发动机长时间工作、多次启动、脉冲工作的考验,长程试车达19000秒,脉冲工作达10万次,满足了设计使用要求。
双组元液体火箭发动机铌合金推力室高温抗氧化涂层实物见图6,最高850ｍｍ,最大Φ550ｍｍ,最小Φ4ｍｍ。
图6 铌合金推力室硅化物涂层实物
6 结论
1)料浆法制备的硅化物涂层与基材的结合强度高,高温抗氧化性能和抗热震性能良好。
2)涂层微观分析表明,涂层很致密,有利于抗氧化性能的提高;涂层与基材有相互扩散层,对抗热震性能的提高十分有利。
3)采用料浆法在钼电极上制备硅化物高温抗氧化涂层,使钼电极的抗氧化能力大大提高,经受了七天烤窑期(1200℃,≥48ｈ)的考验和使用过程中料面多次下降,大大提高了钼电极的使用寿命。
4)采用料浆法在铌合金推力室上制备硅化物高温抗氧化涂层,具有抗氧化寿命长,抗热震性能好,耐燃气冲刷等优点。
5)涂层的工作温度如提高到1800℃,将有广阔的应用前景。
|
